第十三章 步进电动机传动控制系统
11.1 步进电动机 结构与工作原理步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的机电执行元件 。
步进电动机的分类：
工作原理反应式永磁式混合式输出转矩大小快速步进电机功率步进电机励磁相数 二、三、四、五、六、八相等角位移 输入脉冲个数运行速度 输入脉冲频率一、步进电动机的组成如图所示为一台三相反应式步进电动机的结构示意图定子,由定子铁心、绕组、绝缘材料等组成励磁绕组由外部脉冲信号对各相绕组轮流励磁 。 如图所示 。
A' A K1
K2
K3
B'
C'
B
C
转子,由转子铁心,转轴等组成 。 转子铁心是由硅钢片或软磁材料叠压而成的齿形铁心 。
二、步进电动机的工作原理给 A相绕组通电时,转子位置如图 （ a）,转子齿偏离定子齿一个角度 。 由于励磁磁通力图沿磁阻最小路径通过,
因此对转子产生电磁吸力,
迫使转子齿转动,当转子转到与定子齿对齐位置时 (图 b)，
因转子只受径向力而无切线力,故转矩为零,转子被锁定在这个位置上 。 由此可见：
错齿是助使步进电机旋转的根本原因 。
工作原理 T11-2.SWF
结论：
通电顺序为 A— B－Ｃ－Ａ时,转子按顺时针方向一步一步转动通电顺序改为 A－Ｃ－Ｂ－Ａ,时,转子按逆时针方向一步一步转动 。 T11-3.SWF
三、步进电动机的通电方式
1,单相通电方式：指对每相绕组单独轮流通电,对于三相步进电动机：
正转,A－ B－Ｃ－Ａ 时,转子按顺时针方向一步一步转动 。
反转,A－Ｃ－Ｂ－Ａ 时,转子按逆时针方向一步一步转动 。
2,单、双拍工作方式：
正转,A-AB-B-BC-C-CA-A
反转,A-CA-C-BC-B-AB-A
3,双拍工作方式：
正转,AB-BC-CA-AB
反转,AC-CA-BC-AC
四、步进电动机的步距角由一个通电状态改变到下一个通电状态时，电动机转子所转过的角度称为步距角。 T11-2.SWF
＝ 360?/ZKm
其中,Z－ 转子齿数
m－ 定子绕组相数
K－ 通电系数 K=1,2
若二相步进电动机的 Z=100,单拍运行时,其步距角
8.1
1 0 02
3 6 0?
9.0
10022
360?
若按单、双通电方式运行时，步距角由此可见，步进电动机的转子齿数 Z和定子相数 (或运行拍数 )
愈多，则步距角愈小，控制越精确。
当定子控制绕组按着一定顺序不断地轮流通电时，步进电动机就持续不断地旋转。如果电脉冲的频率为 f(HZ)，步距角用弧度表示，则步进电动机的转速为：
fK m Z
fK m Zf
n 60602
2
602
五、步进电动机的主要性能指标
1,步距角
2,最大工作频率：在转子不失步的情况下，电动机连续工作时，
输入脉冲信号的最大频率。 T11-2.SWF
3,最大突跳频率：在转子不失步的情况下，电动机能增加和减小的最大频率。
4,步距差：理想的步矩角与实际的步矩角之差。
5,输出转矩：电动机轴上的输出转矩的大小步进电动机的输出转矩与脉冲频率的函数关系称为 矩频特性 。
13.2 步进电动机的驱动电源一、驱动电源的组成脉冲分配器功放电路 三相步进电机负载功率电源分配器电源功放电路功放电路功率放大器步进脉冲方向信号
f
A
B
C
脉冲分配器 +功率放大电路
1,脉冲分配器当方向电平为低时，脉冲分配器的输出按 A-B-C的顺序循环产生脉冲。
f
A
B
C
当方向电平为高时，脉冲分配器的输出按 A-C-B的顺序循环产生脉冲。
A
B
C
f
2.功率放大器将脉冲分配器的输出信号进行电流放大后给电动机的定子绕组供电，使电动机的转子产生输出转矩。
二,步进电动机的脉冲分配器步进电动机的脉冲分配器可由硬件或软件方法来实现 。
硬件环形分配器：由计数器等数字电路组成的。有较好的响应速度，且具有直观、维护方便等优点。
软件环分：由计算机接口电路和相应的软件组成的。受到微型计算机运算速度的限制，有时难以满足高速实时控制的要求。
1.硬件环形分配器
B
Q
C
Q
C
Q
A
Q
A
Q
B
Q
W
-
Q
A
C
AJ
K
A
Q
+
&
&
Q
B
C
BJ
K
B
Q
+
&
&
R
W
+
Q
C
C
BJ
K
C
Q
+
&
&
R S
CP
复位
& & &
A相 B相 C相序号控制信号状态 输出状态导电绕组
CAJ CBJ CCJ QAQB QC
0 1 1 0 1 0 0 A
1 0 1 0 1 1 0 AB
2 0 1 1 0 1 0 B
3 0 0 1 0 1 1 BC
4 1 0 1 0 0 1 C
5 1 0 0 1 0 1 CA
6 1 1 0 1 0 0 A
2．软件环形分配软件环分的方法是利用计算机程序来设定硬件接口的位状态，
从而产生一定的脉冲分配输出。
1) 输出接口
8031单片机本身包含 4
个 8位 I/O端口，分别为 P0、
P1,P2,P3。
输出接口是将计算机的输出端与步进电动机的每相绕组一一对应起来。
8 0 3 1
P 1,0
P 1,1
P 1,2
A
B
C
驱动器若要实现三相步进电动机的脉冲分配，需要三根输出口线，本例中选 P1口的 P1.0、
P1.1,P1.2位作为脉冲分配的输出。
2) 输出模型如果三相步进电动机按单、双拍通电方式工作，即,
正转,A-AB-B-BC-C-CA 反转,A-AC-C-CB-B-BC
根据 8031单片机的基本原理,对 P1.0,P1.1,P1.2位编程使其按表规定改变输出状态就实现了三相六拍分配任务 。
P1.7 通电 相
X X X X X 0 0 1 A
X X X X X 0 1 1 AB
X X X X X 0 1 0 B
X X X X X 1 1 0 BC
X X X X X 1 0 0 C
X X X X X 1 0 1 CA
P1.5 P1.4 P1.3 P1.2 P1.1 P1.0P1.6
P1输送的内容依次为：
01H A
03H AB
02H B
06H BC
04H C
05H CA
正转反转输出模型
3) 控制程序按正转和反转的要求将输出模型向 P1口发送，并控制步进电动机的速度。
设输出模型存放在存储器中，首地址为 2000H，地址指针为 DPR,初始值为 2000H。
初始化正转
（ DPR） → P1
调用延时子程序
(DPR)=05H
DPR-5→ DPR PR+1→ DPR
（ DPR） → P1
调用延时子程序
(DPR)=01H
PR+5→ DPR DPR-1→ DPR
N N
NY
Y Y
三、步进电动机的功率放大电路步进电动机的功率驱动电路实际上是一种脉冲放大电路，使脉冲具有一定的功率驱动能力。
由于功率放大器的输出直接驱动电动机绕组，因此，功率放大电路的性能对步进电动机的运行性能影响很大。
1.单电压驱动电路
R C R
D
V L
+ U
VT
L－ 是电动机绕组
VT－开关晶体管电阻 R两端并联电容 C,使电流上升更快,
所以,电容 C又称为加速电容 。
二极管 V在晶体管 VT截止时起续流和保护作用,串联电阻使电流下降更快,从而使绕组电流波形后沿变陡 。
2.高低压切换型驱动电路
R
V
1
L
+ 8 0 V
U
b1
VT
1
U
b 2
VT
2
V
2
+ 12V
U b1
0
t
U b 2
0
t
I
0
t t
1
t 2 t 3
高低压驱动线路的优点是：功耗小,启动力矩大,突跳频率和工作频率高 。 缺点是：大功率管的数量要多用一倍,增加了驱动电源 。
11.1 步进电动机 结构与工作原理步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的机电执行元件 。
步进电动机的分类：
工作原理反应式永磁式混合式输出转矩大小快速步进电机功率步进电机励磁相数 二、三、四、五、六、八相等角位移 输入脉冲个数运行速度 输入脉冲频率一、步进电动机的组成如图所示为一台三相反应式步进电动机的结构示意图定子,由定子铁心、绕组、绝缘材料等组成励磁绕组由外部脉冲信号对各相绕组轮流励磁 。 如图所示 。
A' A K1
K2
K3
B'
C'
B
C
转子,由转子铁心,转轴等组成 。 转子铁心是由硅钢片或软磁材料叠压而成的齿形铁心 。
二、步进电动机的工作原理给 A相绕组通电时,转子位置如图 （ a）,转子齿偏离定子齿一个角度 。 由于励磁磁通力图沿磁阻最小路径通过,
因此对转子产生电磁吸力,
迫使转子齿转动,当转子转到与定子齿对齐位置时 (图 b)，
因转子只受径向力而无切线力,故转矩为零,转子被锁定在这个位置上 。 由此可见：
错齿是助使步进电机旋转的根本原因 。
工作原理 T11-2.SWF
结论：
通电顺序为 A— B－Ｃ－Ａ时,转子按顺时针方向一步一步转动通电顺序改为 A－Ｃ－Ｂ－Ａ,时,转子按逆时针方向一步一步转动 。 T11-3.SWF
三、步进电动机的通电方式
1,单相通电方式：指对每相绕组单独轮流通电,对于三相步进电动机：
正转,A－ B－Ｃ－Ａ 时,转子按顺时针方向一步一步转动 。
反转,A－Ｃ－Ｂ－Ａ 时,转子按逆时针方向一步一步转动 。
2,单、双拍工作方式：
正转,A-AB-B-BC-C-CA-A
反转,A-CA-C-BC-B-AB-A
3,双拍工作方式：
正转,AB-BC-CA-AB
反转,AC-CA-BC-AC
四、步进电动机的步距角由一个通电状态改变到下一个通电状态时，电动机转子所转过的角度称为步距角。 T11-2.SWF
＝ 360?/ZKm
其中,Z－ 转子齿数
m－ 定子绕组相数
K－ 通电系数 K=1,2
若二相步进电动机的 Z=100,单拍运行时,其步距角
8.1
1 0 02
3 6 0?
9.0
10022
360?
若按单、双通电方式运行时，步距角由此可见，步进电动机的转子齿数 Z和定子相数 (或运行拍数 )
愈多，则步距角愈小，控制越精确。
当定子控制绕组按着一定顺序不断地轮流通电时，步进电动机就持续不断地旋转。如果电脉冲的频率为 f(HZ)，步距角用弧度表示，则步进电动机的转速为：
fK m Z
fK m Zf
n 60602
2
602
五、步进电动机的主要性能指标
1,步距角
2,最大工作频率：在转子不失步的情况下，电动机连续工作时，
输入脉冲信号的最大频率。 T11-2.SWF
3,最大突跳频率：在转子不失步的情况下，电动机能增加和减小的最大频率。
4,步距差：理想的步矩角与实际的步矩角之差。
5,输出转矩：电动机轴上的输出转矩的大小步进电动机的输出转矩与脉冲频率的函数关系称为 矩频特性 。
13.2 步进电动机的驱动电源一、驱动电源的组成脉冲分配器功放电路 三相步进电机负载功率电源分配器电源功放电路功放电路功率放大器步进脉冲方向信号
f
A
B
C
脉冲分配器 +功率放大电路
1,脉冲分配器当方向电平为低时，脉冲分配器的输出按 A-B-C的顺序循环产生脉冲。
f
A
B
C
当方向电平为高时，脉冲分配器的输出按 A-C-B的顺序循环产生脉冲。
A
B
C
f
2.功率放大器将脉冲分配器的输出信号进行电流放大后给电动机的定子绕组供电，使电动机的转子产生输出转矩。
二,步进电动机的脉冲分配器步进电动机的脉冲分配器可由硬件或软件方法来实现 。
硬件环形分配器：由计数器等数字电路组成的。有较好的响应速度，且具有直观、维护方便等优点。
软件环分：由计算机接口电路和相应的软件组成的。受到微型计算机运算速度的限制，有时难以满足高速实时控制的要求。
1.硬件环形分配器
B
Q
C
Q
C
Q
A
Q
A
Q
B
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W
-
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AJ
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复位
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A相 B相 C相序号控制信号状态 输出状态导电绕组
CAJ CBJ CCJ QAQB QC
0 1 1 0 1 0 0 A
1 0 1 0 1 1 0 AB
2 0 1 1 0 1 0 B
3 0 0 1 0 1 1 BC
4 1 0 1 0 0 1 C
5 1 0 0 1 0 1 CA
6 1 1 0 1 0 0 A
2．软件环形分配软件环分的方法是利用计算机程序来设定硬件接口的位状态，
从而产生一定的脉冲分配输出。
1) 输出接口
8031单片机本身包含 4
个 8位 I/O端口，分别为 P0、
P1,P2,P3。
输出接口是将计算机的输出端与步进电动机的每相绕组一一对应起来。
8 0 3 1
P 1,0
P 1,1
P 1,2
A
B
C
驱动器若要实现三相步进电动机的脉冲分配，需要三根输出口线，本例中选 P1口的 P1.0、
P1.1,P1.2位作为脉冲分配的输出。
2) 输出模型如果三相步进电动机按单、双拍通电方式工作，即,
正转,A-AB-B-BC-C-CA 反转,A-AC-C-CB-B-BC
根据 8031单片机的基本原理,对 P1.0,P1.1,P1.2位编程使其按表规定改变输出状态就实现了三相六拍分配任务 。
P1.7 通电 相
X X X X X 0 0 1 A
X X X X X 0 1 1 AB
X X X X X 0 1 0 B
X X X X X 1 1 0 BC
X X X X X 1 0 0 C
X X X X X 1 0 1 CA
P1.5 P1.4 P1.3 P1.2 P1.1 P1.0P1.6
P1输送的内容依次为：
01H A
03H AB
02H B
06H BC
04H C
05H CA
正转反转输出模型
3) 控制程序按正转和反转的要求将输出模型向 P1口发送，并控制步进电动机的速度。
设输出模型存放在存储器中，首地址为 2000H，地址指针为 DPR,初始值为 2000H。
初始化正转
（ DPR） → P1
调用延时子程序
(DPR)=05H
DPR-5→ DPR PR+1→ DPR
（ DPR） → P1
调用延时子程序
(DPR)=01H
PR+5→ DPR DPR-1→ DPR
N N
NY
Y Y
三、步进电动机的功率放大电路步进电动机的功率驱动电路实际上是一种脉冲放大电路，使脉冲具有一定的功率驱动能力。
由于功率放大器的输出直接驱动电动机绕组，因此，功率放大电路的性能对步进电动机的运行性能影响很大。
1.单电压驱动电路
R C R
D
V L
+ U
VT
L－ 是电动机绕组
VT－开关晶体管电阻 R两端并联电容 C,使电流上升更快,
所以,电容 C又称为加速电容 。
二极管 V在晶体管 VT截止时起续流和保护作用,串联电阻使电流下降更快,从而使绕组电流波形后沿变陡 。
2.高低压切换型驱动电路
R
V
1
L
+ 8 0 V
U
b1
VT
1
U
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2
V
2
+ 12V
U b1
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高低压驱动线路的优点是：功耗小,启动力矩大,突跳频率和工作频率高 。 缺点是：大功率管的数量要多用一倍,增加了驱动电源 。
